一種簡(jiǎn)易R(shí)LC測(cè)量系統(tǒng)的研制

于 柏， 費(fèi) 騰， 只德瑞

（天津商業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津300134）

0 引 言

隨著電子工業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品90%以上的外圍電路都是由電阻、電容、電感組成的，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和設(shè)備維護(hù)中經(jīng)常要測(cè)量電阻、電容和電感的大小。

多數(shù)情況下，使用萬(wàn)用表進(jìn)行電路和元件參數(shù)的測(cè)量，萬(wàn)用表雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶方便，它在測(cè)量過(guò)程中卻有一定的局限性，尤其在對(duì)電容、電感參數(shù)測(cè)量時(shí)，在量程范圍和準(zhǔn)確性上都大打折扣。隨著測(cè)量技術(shù)發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外使用的RLC自動(dòng)測(cè)試儀都具有檢測(cè)速度快、測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)［1］，但也普遍存在硬件電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，體積龐大，攜帶不便，尤其在測(cè)試操作過(guò)程中需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定等不足［2］。本系統(tǒng)以STC89C52 單片機(jī)為控制核心，搭配簡(jiǎn)易的外圍控制、檢測(cè)和信號(hào)發(fā)生電路對(duì)電阻、電容和電感參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。該測(cè)量裝置價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)單、體積小、功能強(qiáng)大、便于攜帶，具有廣泛的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在研制的RLC 測(cè)量系統(tǒng)中，一方面需要對(duì)電阻、電容、電感參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)又要讓測(cè)試結(jié)果能快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地顯示出來(lái)。根據(jù)這些測(cè)量需求，最終設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 簡(jiǎn)易測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用STC89C52RC 單片機(jī)為主控芯片，JSYMK-163 單相互感計(jì)量模塊為輔助，系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻、電容、電感等分立元件及它們的任意組合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，能快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地將被測(cè)參數(shù)在LCD1602 上進(jìn)行顯示［4］，同時(shí)設(shè)置了過(guò)流保護(hù)電路，當(dāng)電感過(guò)流測(cè)量時(shí)［5］，能自動(dòng)切斷電源并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能特性，系統(tǒng)分為以下幾個(gè)系統(tǒng)模塊：開關(guān)電源供電、升壓電路、信號(hào)源、JSY-MK-163 單相互感計(jì)量、過(guò)流保護(hù)、LCD1602 液晶顯示和鍵盤按鍵選擇等模塊。這些模塊按各自功能相互協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成整個(gè)簡(jiǎn)易測(cè)量設(shè)備的硬件系統(tǒng)。

2.1 開關(guān)電源模塊

系統(tǒng)供電部分采用HF10W-S-5 單路開關(guān)電源，該電源模塊輸入電壓范圍170 ～264 VAC，輸出2 A、5 V直流電源，內(nèi)部采用隔離、過(guò)載和短路保護(hù)，這種電源體積小、功耗低、轉(zhuǎn)換效率高，重量輕［6］，具有極高的穩(wěn)定性和可靠性。開關(guān)電源一方面為單片機(jī)和計(jì)量模塊提供工作電源，同時(shí)為升壓模塊提供5V 輸入電壓。其實(shí)物如圖2 所示，電源模塊電路原理如圖3 所示。

圖2 HF10W-S-5實(shí)物圖

圖3 HF10W-S-5電路原理圖

2.2 升壓電路模塊

升壓電路模塊選用一款高效率、直流升壓穩(wěn)壓電路。內(nèi)部芯片SX1318 采用標(biāo)準(zhǔn)的SOP-8 無(wú)鉛封裝，其應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)單，外圍器件極少，輸入電壓范圍可由3.7 ～42 V，輸出電壓3.7 ～42 V 可調(diào)整且內(nèi)部MOSFET輸出電流可高達(dá)2A，非常適合于產(chǎn)品內(nèi)部模塊間的電壓轉(zhuǎn)換。電路原理如圖4 所示，通過(guò)對(duì)SX1318外圍電阻R2和R1的調(diào)節(jié)，可以任意改變其輸出電壓的高低［7］。本系統(tǒng)中升壓電路模塊的工作電壓為5 V，為信號(hào)源模塊提供的輸入電壓為直流18 V。實(shí)物圖如圖5 所示。

圖4 升壓電路原理圖

圖5 升壓模塊實(shí)物圖

2.3 信號(hào)源模塊

信號(hào)源模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，模塊要為待測(cè)元件提供穩(wěn)定、可靠、失真度極小的檢測(cè)信號(hào)，以確保測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性。NE555 定時(shí)器芯片價(jià)格低廉，是一款應(yīng)用廣泛的集成電路，芯片只需外接少量的阻容元件和小功率三極管，就可以構(gòu)成多路波形發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等波形，被廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)系統(tǒng)中［8］。該信號(hào)源模塊設(shè)計(jì)的原理如圖6 所示，實(shí)物模塊如圖7 所示，其最終輸出為正弦交流電壓信號(hào)，頻率40 ～60 Hz、電壓值8 ～18 V可調(diào)。

圖6 波形發(fā)生原理圖

圖7 信號(hào)源模塊實(shí)物圖

2.4 計(jì)量模塊

JSY-MK-163 型單相互感計(jì)量模塊集成了測(cè)量和數(shù)字通信技術(shù)，能夠完成電能測(cè)量、采集及傳輸?shù)膯蜗嘟涣麟妳?shù)測(cè)量，能夠準(zhǔn)確測(cè)量單相交流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)。具有1 路TTL 電平接口，體積小，接口簡(jiǎn)單，具有極優(yōu)的性價(jià)比。該模塊能通過(guò)信號(hào)源提供的檢測(cè)信號(hào)完成對(duì)電阻、電容、電感等相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。其實(shí)物如圖8 所示。

圖8 JSY-MK-163模塊實(shí)物圖

JSY-MK-163 計(jì)量模塊和STC89C52RC 單片機(jī)通過(guò)RS-485 通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU 協(xié)議進(jìn)行各種數(shù)據(jù)信息的傳送。檢測(cè)元器件原理如圖9 所示。圖中的us為信號(hào)源模塊產(chǎn)生的正弦波檢測(cè)信號(hào)，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，U為計(jì)量模塊測(cè)出待測(cè)元器件兩端的電壓，A為計(jì)量模塊測(cè)出流過(guò)元器件的電流，同時(shí)計(jì)量模塊還可測(cè)量頻率、功率因數(shù)等數(shù)值，這4 個(gè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果被存儲(chǔ)到單片機(jī)的4 個(gè)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元，單片機(jī)根據(jù)鍵盤按鍵選擇模塊判斷待測(cè)元件的各種組合形式，調(diào)用相應(yīng)的計(jì)算程序，將計(jì)算結(jié)果在液晶顯示屏上進(jìn)行參數(shù)數(shù)值和單位的顯示［9］。

圖9 待測(cè)元件串并聯(lián)模式原理圖

2.5 過(guò)流保護(hù)模塊

檢測(cè)電路測(cè)量電感參數(shù)，當(dāng)流過(guò)電感的電流超過(guò)其最大額定值時(shí)，會(huì)造成電感元件損壞，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)流保護(hù)模塊，該模塊主要由固態(tài)繼電器和光電耦合器組成，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，在電流過(guò)大時(shí)，能快速切斷電感檢測(cè)回路，起到過(guò)流保護(hù)的作用［10］。電路如圖10 所示，固態(tài)繼電器實(shí)物如圖11 所示。

圖10 過(guò)流保護(hù)模塊原理圖

圖11 固態(tài)繼電器實(shí)物圖

檢測(cè)電路正常工作時(shí)，單片機(jī)P2.3 口輸出低電平，TLP251 光電耦合器中的發(fā)光二極管正常工作，光敏三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，固態(tài)繼電器3、4 端子間接＋5V電源，1、2 端子處于導(dǎo)通狀態(tài)，外接檢測(cè)電路正常工作；當(dāng)STC89C52RC采集到電感測(cè)量電路過(guò)流信號(hào)時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)中斷，執(zhí)行中斷保護(hù)程序［11］，此時(shí)在其P2.3 口輸出一個(gè)高電平信號(hào)，光耦左右兩側(cè)均處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)固態(tài)繼電器3、4 端子截止，1、2 端子同時(shí)截止，斷開電感測(cè)量回路，觸發(fā)電路過(guò)流保護(hù)。

3 軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖12 所示。系統(tǒng)在上電或收到復(fù)位信號(hào)后，程序進(jìn)行初始化設(shè)置，然后循環(huán)進(jìn)行按鍵掃描，檢測(cè)是否有按鍵按下，收到按鍵信號(hào)后進(jìn)行測(cè)量狀態(tài)選擇，同時(shí)向計(jì)量模塊發(fā)送查詢信息，其中包括設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)信息碼及校驗(yàn)碼，作為應(yīng)答，計(jì)量模塊將設(shè)備地址、功能代碼、數(shù)據(jù)信息碼、校驗(yàn)碼發(fā)給單片機(jī)系統(tǒng)，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的收集工作。系統(tǒng)根據(jù)鍵盤按鍵選擇模塊提供的測(cè)量信息，從微機(jī)中調(diào)出相應(yīng)的計(jì)算程序，完成參數(shù)的計(jì)算，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送給LCD1602 液晶屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示［12］。

圖12 系統(tǒng)測(cè)量程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

簡(jiǎn)易R(shí)LC測(cè)量系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制核心，搭配必要的外圍電路模塊完成對(duì)電阻、電容及電感等參數(shù)的測(cè)量，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)利用計(jì)量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)的采集和傳送，單片機(jī)通過(guò)選擇按鍵調(diào)用相應(yīng)的運(yùn)算程序，計(jì)算出待測(cè)元件的各個(gè)參數(shù)并顯示在液晶屏上［13］。整個(gè)硬件系統(tǒng)實(shí)物如圖13 所示。

圖13 硬件系統(tǒng)整體實(shí)物圖

分別選取8 個(gè)不同的電阻、電容和電感元件，通過(guò)實(shí)際測(cè)量后，把測(cè)量參數(shù)利用Matlab 軟件經(jīng)數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)處理，得到如圖14 所示結(jié)果。

圖14 Matlab誤差比對(duì)圖

從Matlab數(shù)據(jù)誤差分析比對(duì)圖看，電阻、電容、電感等參數(shù)測(cè)量的結(jié)果與實(shí)際值比較基本達(dá)到了要求，但是系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量時(shí)在功能狀態(tài)切換及人機(jī)交換智能化方面仍需做進(jìn)一步改進(jìn)［14］。

5 結(jié) 語(yǔ)

簡(jiǎn)易R(shí)LC 測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)硬件電路和軟件程序的有機(jī)結(jié)合，以較低成本實(shí)現(xiàn)了高精度動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量，以STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心，單相互感計(jì)量模塊為輔助，通過(guò)開關(guān)電源、升壓、信號(hào)源、過(guò)流保護(hù)、按鍵選擇及液晶顯示等模塊的外圍電路組合設(shè)計(jì)，完全滿足測(cè)量工作需求，系統(tǒng)在穩(wěn)定性、可靠性、響應(yīng)速度等方面和同類設(shè)備相比有了顯著提升，具有廣泛的應(yīng)用前景［15］。